网壳与悬索结构

网壳与悬索结构

网架结构是一个以受弯为主体的平板，而网壳结构以其合理的受力形态，形成较为优越的结构体系。可以说它不仅仅依赖材料本身的强度，而是以曲面造型改变结构的受力，成为以薄膜内力为主要受力模式的结构形态，跨越更大跨度。不仅如此，这种结构以其优美的造型激发了建筑师及人们的想象力。随着结构理论及实验研究的不断深入，计算机技术的不断发展，越来越多的建筑采用了这种结构形式。3.1网壳结构的特点特点：⑴采用相同的格子和尺寸较小的单元，可以跨越较大的跨度。⑵各杆件没有鲜明的主次关系，受力均匀；网壳结构的轻型化是它的重要特征。⑶构件标准化、规格化，制造工厂化。⑷建筑造型美观。⑸受力合理，综合效益好。跨度650m的网壳蓝图200m、500m、1000m网壳蓝图重庆奥林匹克体育中心体育场跨度直线距离312米，网壳纵向宽度78米，最大悬挑梁长度68米，主拱高度70.3米，网壳为双层，上下弦杆高度为4.5米，单块网壳为17400平方米，两块网壳由3672只焊接球、16500根钢管杆件组成。3.2网网壳结构构的起源和和发展Victoriaregia王莲莲3.3网网壳曲面面的形式1壳体的的概念被两个几何何曲面所限限的物体称称为壳体；这两个曲面面之间的距距离称为壳体的厚度度；等分壳体各各点厚度的的几何曲面面称为壳体体的中曲面；过曲面上m点法线可作作无数个法截面，得到无数数个法截线，这组法截截线分别对对应一组曲曲率，这些些曲率有两个极值，称为m点两个主曲率k1、K2，对应的主曲曲率半径为为R1R2，这一对主主曲率方向向(主方向)是相互正交交的。高斯曲率:T=K1×K2=1/R1×1/R2；零高斯曲率率网壳，即k1=0，k2不等于0，——单曲网壳；；若k2=0成为平板网网架；正高斯曲率率，即Kl×k2>0；负高斯曲率网网壳，是指两个主主曲率k1×k2<0；等厚度壳和和变厚度壳壳；薄壳、中厚厚壳和厚壳壳：当壳体的厚厚度远小于于它的最小小曲率半径径时，成为为薄壳；反反之称为厚厚壳或中厚厚度壳。在在网壳结构构工程中一一般为等厚厚度的薄壳壳。典型曲面与与非典型曲曲面。曲面分为为两大类，，一是可由由几何学方方程表达的的几何曲面面，亦称为为典型曲面面，如球面面、圆柱面面、抛物曲曲面等；另另一类是不不易用几何何学方程来来表达的非非几何学曲曲面亦称非非典型曲面面。2基本本曲面的形形成方法（1）旋转法法形成曲面面一条平面曲曲线C绕该该平面内某某一给定的的直线L旋旋转一周，，由此形成成的曲面称称为旋转面，以旋转面面为中曲面面的壳体称称为旋转壳。动曲线C称为母线，而定直线线L称为旋转轴，如图所示示。球面网壳旋转椭圆面面旋转抛物面面旋转双曲面面圆锥面柱面（2）平移移法形成曲曲面由一根平面面曲线(母线C)沿着二根根不在同一一平面的平平面曲线(导线L)平移后形形成的曲面面，这种曲曲面称为平平移曲面，，如图所示示。柱面网壳柱状面椭圆抛物面面双曲抛物面面1.网壳形形式网壳按组成成层数分为为单层网壳壳和双层网网壳单层柱面网网壳3.4网网壳结构构的形式双层柱面网网壳按曲面外形形分类则有有球面网架柱面网壳单层球面网网壳日本名古屋屋网壳穹顶顶切割或组合合形成曲面面网壳球面切割网网壳平板组合球球面网壳其它曲面网网壳上海世博会会阳光谷。高40米米，下小上上大的悬挑挑式单层网网壳结构，，上口最大大直径为90米。国家羽毛球球馆（北京京工业大学学体育馆））球壳形，长长约150m，宽约约120m，主体结结构采用弦弦支穹顶结结构，上弦弦为单层网网壳，下弦弦环向为拉拉索，径向向为钢拉杆杆；外挑部部分采用悬悬挑变截面面H型钢梁梁。中国航海博物馆馆中央帆体双向交叉桁架构构成空间网格壳壳体，两瓣壳体体旋转对称，在在高度约41米铰点相倚倚靠，总高度57.8m、、跨度66.0m2单层柱面网网壳的网格形式式单向斜杆交叉斜杆联方形三向网格3单层球面网网壳的网格形式式（1）肋环形单层球球面网壳（2）施威德德勒型(肋环斜杆)（3）三向向网格（4）联方形形单层壳的特点(跨度不宜超过过40米)刚度差节点必须刚接，，以传递剪力弯弯矩动力性能分析（（地震和风振））稳定问题非常重重要4双层网壳壳的网格形式正放四角锥柱面面网壳正放抽空四角锥锥柱面网壳斜置正放四角锥锥柱面网壳三角锥柱面网壳壳抽空三角锥柱面面网壳双层网壳的网格格形式：1.交叉桁架体系(略)2.四角锥体系3.三角锥体系网壳结构在直接接和间接作用下下的内力、位移移及整体稳定计计算除工作荷载载之外，还应根根据具体情况包包括地震、温度度变化、支座沉沉降及施工安装装荷载等效应。。网壳的永久荷载载有：（1）网壳自重；（（2）屋面材料的重重力；（3）吊顶材料的重重力;（4)设备管道的重力力。网壳结构的可变变荷载有：（1）屋面活荷载；；（2）雪荷载；（（3）风荷载。1.网壳的一般般计算原则3.5网壳的设计及计计算网壳结构具有很很强的非线性性性能，抗震分析析宜采用时程分分析法。双层网壳符合下下列条件之一者者可不考虑温度度应力的影响：：（1）支座节点的构构造允许网壳侧侧移且其侧移值值等于或大于公式的计算值；（2）周边支承于独独立柱，且网壳壳在验算方向跨跨度小于40m；（3）支承网壳的柱柱在单位水平力力作用于柱顶时时，柱顶位移大大于或等于式公式的计算值。不符合上述条件件时，网壳应考考虑温度应力的的影响。设计中中考虑的温度应应力情况一般有有两种：（1）整个网壳有温温度变化；（2）双层网壳上下下层有温度差△t。网壳应按最不利利的荷载效应组组合进行设计。。对于非抗震设设计荷载效应组组合应按现行国国家标准《建筑结构荷载规规范》（GB50009—2001）进行计算。对抗震设计，荷荷载效应组合应应按国家标准《建筑抗震设计规规范》(GB50011—2001）进行计算。2.网壳的内内力分析网壳是一个准柔柔性的高次超静静定结构目前单层网壳计计算主要是考虑虑几何非线性的的有限单元法考虑与不考虑几几何非线性的有有限单元法的区区别在于前者考考虑网壳变形对对内力的影响3.网壳的稳定性网壳的稳定性计计算可采用非线线性有限单元法法，取结构刚度矩阵的行列式式之值等于零作作为确定临界界荷载的准则，即：det[K]=0刚度矩阵[K]应包含所有的的非线性因素，，使det[K]=0的荷载即为临界荷荷载{P}cr。注意：在设计工作中需需要引进临界荷荷载的折减系数数不同的网壳不能能用相同的折减减系数网壳杆件的计算算长度和容许长长细比可按下表表采用。单层网壳杆件计计算长度

壳体平面内壳体平面外0.9LL4.网壳杆件及及节点设计

连接形式

弦杆腹杆支座腹杆其他腹杆螺栓球点lll焊接球结点0.9l0.9l0.9l板节点ll0.9l

网壳类别

压杆拉杆静荷载动荷载双层网壳200300250单层网壳150300250网壳杆件容许长长细比双层网壳杆件计计算长度3.5悬索结结构1特点轴向拉伸抵抗外外荷作用，充分分利用钢材强度度施工方便，费用用低便于建筑造型2单层悬索结构平行布置形式(跨度可达80m，德国多特蒙特一一展览厅，1956)水平梁和框架一一起承受悬索拉力水平梁承受悬索拉力悬索直接锚挂于框架斜拉索将悬索拉力拉向地锚幅射式布置形式式(适用于圆形形，椭圆形平面面)下凹双曲率碟形形屋面不便于排水，最最大的碟形屋面：美国阿拉美达比赛馆，跨跨径128m(1967)伞形屋面最大的伞形屋面面：前苏联伊利姆斯斯克汽车库，跨径206m受拉内环采用钢钢制，受压外环环采用钢筋混凝凝土制作。可比比平行布置做到到较大跨度。网状布置形式(适用于圆形，，矩形等各种平平面)设计要点单层悬索体系垂垂跨比经验取值值：1/201/10加强形状稳定定性的措施：采用重屋面采用预应力钢筋筋混凝土悬挂薄薄壳采用横向加劲构构件两向索正交布置置屋面板规格统一一边缘构件弯矩大大于幅射式布置3双层悬索结构一般形式由下凹的承重索索，上凸的稳定定索及它们之间间的连系杆组成成承重索垂跨比一一般取1/201/15，稳定索拱跨比比一般取1/201/25平行布置形式幅射式及网状布布置形式上索既是稳定索索，又直接承载载a)双层内环梁b)双层外环梁c)双层内外环梁d)单层外环梁网状状布置e)双层外环梁网状状布置鞍形索网布置形形式4一些典型建筑单层悬索德国乌柏特市游游泳馆德国多特蒙特展展览大厅前苏联克达斯若若牙尔斯克车库库日本古川市民会会馆双层悬索瑞典斯德哥尔摩摩约翰尼绍夫滑滑冰场芬兰赫尔辛基冰冰上运动场德国法兰克福机机动车检修场罗马尼亚布加勒勒斯特文体宫鞍形索网前南斯拉夫莱士士科瓦克纺织博博览馆加拿大卡尔加里里滑冰馆我国悬索结构工工程一览表工程名称平面及尺寸建成年份车辐式双层索系

北京工人体育馆

成都城北体育馆

广汉市文体馆

圆形，直径94m

圆形，直径61m

圆形，直径44m

1961

1979

1991双曲抛物面索网

天津大学健身房

浙江人民体育馆

新疆化肥厂俱乐部

椭圆形，24.6×36.6m

椭圆形，60m×80m

椭圆形，36m×50m

1965

1967

1977平行双层空间索系

吉林滑冰馆

矩形，59m×72m

1986平行双层平面索系（索桁架）

无锡市体育馆

矩形，43m×44m

1991单层平行索系

淄博市体育馆

淄博市毛纺厂俱乐部

东营钻井公司体育馆

新汶矿务局体育馆

矩形，54m×38m

矩形，36m×27m

矩形，54m×38m

矩形，54m×38m

1986

1987

1988

1989伞形单层辐射索系

柳州水泥厂熟料库

淄博市长途汽车站

圆形，半径40m

圆形，半径25m

1987

1989单层悬挂索网

淄博市化纤厂餐厅

方形，30m×30m

对角线主索支承

1987单层平行索系、以刚架作为中央支承

丹东体育馆

六边形，80m×45m

1988鞍形索网、以拱作为中央支承

四川省体育馆

青岛市体育馆

六边形，74m×79m

卵形，73m×89m

1988

1990鞍形索网、以索--拱体系作为中央支承

北京朝阳体育馆

近似椭圆，66m×78m

1990横向加劲单层平行索系

安徽省体育馆

上海扬浦区体育馆

潮州体育馆

六边形，72m×53m

矩形，45m×54m

方形，55m×56m

1989

1989

1992斜拉屋盖结构